在金属材料领域，严重的强度-塑性矛盾一直是制约材料性能提升的关键因素。尤其是在多主元高熵合金中，脆性金属间化合物的存在常常引发材料过早失效，造成材料塑性显著下降。多级异质结构作为一种新型微观结构设计策略，为实现强塑性的协同提升提供了新的可能。然而，传统制备异质结构的方法不仅成本高昂，而且耗时冗长，为异构材料的实际应用带来了巨大挑战。

近日，上海大学材料学院钟云波教授领衔的高性能结构功能材料超常冶金与制备研究团队，通过创新的多尺度微观结构遗传和细化策略，成功在多主元合金中制备出了一种独特的多级异质层片结构，实现了优异的强塑性匹配。该成果以“Strong, ductile, and hierarchical hetero-lamellar-structured alloys through microstructural inheritance and refinement”为题，在国际权威期刊PNAS上发表，全称《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)。

该研究团队基于多尺度微观结构遗传和细化策略，巧妙地处理了铸态异质Al_0.7CoCrFeNi多主元合金中的“层级结构前驱体”：这些前驱体在经过简单的轧制和一步退火后就可直接形成多级异质层片结构（HLS）（图1）。值得注意的是，这里仅需10分钟的退火时间（比传统加工Al_0.7CoCrFeNi以达到最佳性能所需的时间少2个数量级），即可通过多级HLS设计实现更高的强度-塑性组合（图2）。系统的研究表明，这种新型的多级HLS设计可以依次激活多种以前无法实现的变形和强化机制。特别是HLS所实现的超高异质变形诱导（HDI）内应力，其在原本脆性金属间化合物相中诱导出具有五个以上独立滑移系的<111>型位错，并在相邻的高堆垛层错能软相中激活了大量堆垛层错和纳米孪晶。这些跨越多个长度尺度的、出人意料的、动态增强的异质变形机制促进了高且持续的HDI硬化，同时产生了显著的微裂纹介导的外在韧化效应。这些系统地表明该研究提出的微观结构遗传与细化策略为克服广泛结构材料中的强度-塑性平衡提供了一种高效、快速且低成本的方法。

图1 Al_0.7CoCrFeNi多主元合金多级异质层片微观组织结构

图2 Al_0.7CoCrFeNi多主元合金的高效热处理工艺及优异力学性能组合

图3 HLS多主元合金中不同特征区域的强烈、逐步增加的位错堆积和跨尺度的、拓扑变化的异质变形

钟云波教授领衔的“新能源产业关键材料超常冶金与制备”上海市重点创新团队，始终秉持徐匡迪院士的战略指导思想，聚焦行业未来10~20年面临的关键科学问题，致力于先进基础材料的提质升级。上述原创性研究成果，是团队在聚焦高性能新材料发展领域做出的又一重要原创性贡献，也是继在Science、Materials Today、Nature Communications、Advanced Materials等国际顶级期刊上发表系列研究论文后的又一重量级论文。

该研究由上海大学、香港城市大学、新加坡科技研究局、北京大学、中科院人工智能研究所、香港大学、香港科技大学、清华大学等多家科研单位共同合作完成，其中上海大学为第一署名单位。上海大学长江学者钟云波教授、香港城市大学C.T. Liu院士和Yuntian Zhu院士、清华大学高华健院士为共同通讯作者。上海大学与香港城市大学的时培建博士为第一作者，上海大学材料学院的李毅博士生（共同一作）、蒋鑫博士生、秦祎硕士生、林一凡硕士生、黄靖然硕士生、谭博东硕士生、沈喆副教授、丁彪副教授、李强副教授、郑天祥教授、任维丽教授等为合作署名作者。该研究得到国家自然科学基金区域联合基金重点项目（No. U23A20607）、十四五国家重点研发计划（No. 2021YFA1200200）的资助。

全文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2409317121